CN1130023C - 控制音频频带处理器增益的电路和方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制增益的音频频带处理器和方法以及电路。音频频带处理器包含：第一可变增益放大器(202)，用于接收模拟音频信号；模拟一数字转换器(204)，用于将所述模拟音频信号转换为数字音频信号；以及接口电路(206)，用于编码所述数字音频信号。接口电路(206)还将所述数字音频信号放入编码发送帧序列，并且接收编码接收帧序列，每帧接收帧包含预定数量的编码数字音频信号数据比特和预定数量的数字增益控制比特。接口电路(206)还调整所述第一可变增益放大器的增益水平以响应所述数字增益控制比特。在另一实施例中，音频频带处理器进一步包括第二可变增益放大器(202)，并且接口电路还调整所述第二可变增益放大器的增益水平以响应所述数字增益控制比特。

Description

控制音频频带处理器增益的电路和方法
(1)技术领域
本发明涉及音频频带编码器和译码器。具体而言，本发明涉及新型改进的音频频带编码器/译码器(CODEC)，其内部放大器的增益由语音编码器/译码器(声码器)控制。
(2)背景技术
在现有技术的音频处理中，音频频带编码器/译码器(CODEC)一般用来将模拟音频信号转换为编码的数字信号或者相反。例如CODEC可以接收话筒的模拟输出，并将话筒生成的模拟音频信号转换为脉冲编码调制(PCM)编码的数字音频信号以在数字信号处理器(DSP)中作进一步的数字信号处理。此外，CODEC可以接收来自DSP的PCM编码数字音频信号并将其转换为模拟音频信号供音频扬声器使用。当然CODEC可以采用本领域内熟知的其他熟知编码技术，例如A-律、μ-律等，或者可以仅仅采用其他线性或非线性编码技术。
本领域内熟知的CODEC包括内部或者更多的是外部增益固定或可变的音频放大器。来自话筒的模拟音频信号在数字编码和输送至DSP之前被该放大器放大。放大器的增益经过选择使得在预期工作范围内提供线性增益。但是在许多应用中，话筒产生的模拟音频信号可能超过编码器的动态范围。在这种情况下，编码信号将包含和失真。显然，音频信号因失真而无法以可接收的水平复制是不希望出现的情况。
这个问题在数字电话系统中是突出的。在许多数字电话系统中，CODEC的PCM编码输出由声码器进一步编码使表示音频信号的数字数据量最小。声码器通过提取与人类语音模型有关的参数，采用了压缩诸如语音之类音频信号的技术。声码器在本领域内是熟知的。各种声码器设计的实例可以参见题为“可变速率声码器”的美国专利No.5,414,796、题为“在可变速率声码器中确定语音编码速率的方法”的美国专利No.5,341,456以及1994年2月16日提交的题为“声码器ASIC”的美国专利申请No.08/197,417。上述专利和申请都转让给了本发明的受让人并且作为参考文献包含在本文中。如果输入CODEC的模拟音频信号电平足够高而导致限幅，则最终提供给声码器的PCM编码语音信号将失真并且声码器在译码时将无法正确地模拟信号以正确地复制。这通常称为“高声说话者”问题。
为了克服“高声说话者”问题，需要在音频放大器上实现自动增益控制(AGC)，当音频能量水平较高时降低音频放大器增益，并在音频能量较低(即“软绵绵的说话者”)时增大放大器增益。这使得CODEC可以产生增益控制的PCM编码音频数据供声码器使用。
但是声码器一般估计背景噪声(即来自CODEC的PCM编码输出中的非语音分量)的水平并且利用该估计得到的背景噪声进行背景噪声抑制。如果从CODEC向声码器提供增益控制的输入信号，则背景噪声水平将根据用户说话声音的大小改变。这给背景噪声水平估计过程引入了不精确性。
因此所需要的是自动增益控制电路，它克服了“高声说话者”问题，但是不会给声码器背景噪声水平估计过程引入不精确性。
(3)发明内容
本发明是一种新型改进的音频频带处理器和方法以及电路，用于控制音频频带处理器的增益。在较佳实施例中，音频频带处理器包含：第一可变增益放大器，用于接收模拟音频信号；模拟—数字转换器，用于将所述模拟音频信号转换为数字音频信号；以及接口电路，用于编码所述数字音频信号。接口电路还将所述数字音频信号放入编码发送帧序列，并且接收编码接收帧序列，每帧接收帧包含预定数量的编码数字音频信号数据比特和预定数量的数字增益控制比特。接口电路还调整所述第一可变增益放大器的增益水平以响应所述数字增益控制比特。在另一实施例中，音频频带处理器进一步包括第二可变增益放大器，并且接口电路还调整所述第二可变增益放大器的增益水平以响应所述数字增益控制比特。
本发明的新型音频频带处理器可以与控制音频频带处理器增益的电路连用。电路包括：所述音频频带处理器内的第一可变增益放大器，用于接收模拟音频信号；所述音频频带处理器内的模拟—数字转换器，用于将所述模拟音频信号转换为数字音频信号；接口电路，用于编码所述数字音频信号并且将所述数字音频信号放入编码发送帧序列内；以及声码器，用于测量所述编码发送帧序列的能量水平。声码器还生成数字增益控制比特以响应所述测量的能量水平，并生成编码接收帧序列，每帧接收帧包含预定数量的编码数字音频信号数据比特和预定数量的填充比特。声码器进一步将所述数字增益控制比特多路复用为所述填充比特。接口电路调整所述第一可变增益放大器的增益水平以响应所述数字增益控制比特。还揭示了利用本发明的方法。
(4)附图说明
通过以下结合附图对本发明的描述可以进一步理解本发明的特征、目标和优点，附图中相同或相应的部分用相同的标号，其中：
图1为本发明电路总体框图；
图2为本发明电路的扩展框图；
图3为图2的CODEC实施例的更为详细的框图；以及
图4为用于本发明的示意性可变增益音频放大器的电路框图。
(5)具体实施方式
参见图1，它示出了本发明的总体框图。图1所示单元适用于诸如蜂窝或PCS电话之类的数字无线电话。话筒(MIC)102是本领域内熟知的标准耳机。MIC102将用户语音的音频波形以及背景噪声转换为模拟音频信号。CODEC106放大并将模拟音频信号转换为PCM编码数字音频信号并经PCM输出(PCMO)线向声码器108传送PCM编码数字音频信号。应该注意的是，本发明的CODEC106也可将模拟音频信号编码为本领域熟知的不同的线性或非线性数字格式。
声码器108接收PCM编码数字音频信号并完成各种数字信号处理技术，例如语音压缩、背景噪声估计和去除以及语音活动性检测等。其他数字信号处理技术由声码器108完成，比较好的是按照上述1994年2月16提交的题为“声码器ASIC”的美国专利申请No.08/197,417设计和构造的声码器。声码器108随后向发射机(未画出)传送声编码语音数据帧以向无线基站(未画出)发送。
接收机(未画出)从无线基站接收、解调和恢复声编码语音数据并将声编码语音数据帧传送至声码器108以将音频数据译码和重建为PCM编码数字音频信号。声码器108将PCM编码数字音频数据放入预定长度的PCM接收帧。接收侧声码器108生成的每帧PCM接收帧包含预定数量的PCM编码数字音频数据比特和预定数量的填充比特。在较佳实施例中，帧长度为16比特，包含了13个PCM编码数字音频数据比特和3个填充比特。但是显而易见的是，可以采用其他的帧长度和填充比特比率而不偏离本发明。
CODEC106接收OCM输入(PCMI)线上PCM编码数字音频数据帧连同填充比特。CODEC106将填充比特与PCM编码数字音频数据比特分离，并将PCM编码数字音频数据比特转换为模拟音频信号。模拟音频信号随后被扬声器(SPKR)104转换为音频声波。用户随后可以听到接收的音频信号。
在本发明中，声码器108还测量了PCMO线上接收的PCM编码数字音频信号的能量电平。CODEC106生成的该PCM编码数字音频信号的能量电平依赖于MIC102拾取的音频电平和在CODEC106内部完成的增益控制。声码器108响应PCMO线上接收的所测PCM编码数字音频信号的能量电平，生成反比于所测能量电平的数字增益控制信号。
在较佳实施例中，数字增益控制为3个比特。但是应该指出的是，可以根据所需发送控制信息的多少采用任意数量的控制比特。声码器108将这些数字增益控制信号比特多路复用为上述OCM接收帧的填充比特。因此在较佳实施例中，帧的3个填充比特被3个数字增益控制信号比特代替。这3个数字增益控制信号比特由CODEC106从帧内分离并用来调整内部发射增益。
由上可见，利用声码器108将数字增益控制比特多路复用到已经用来载带PCM编码数字音频数据的PCM接收帧中，减少了完成CODEC106和声码器108功能的ASIC的控制线和插脚数。因此无需在声码器108与CODEC106之间增加任何更多的接口就可以避免CODEC106生成的PCM编码数字音频信号内的失真。此外，由于声码器108自身产生数字增益控制信号，所以它知道CODEC106内部发射增益的预期变化，并且因此可以在背景噪声估计中考虑到这种增益变化。
参见图2，它示出了本发明电路的扩展框图。可变增益放大器202接收模拟音频信号。可变增益放大器202根据可变增益值放大模拟音频信号，该增益值由声码器208生成的数字增益控制信号比特设定，经PCMI线传送，并且由PCM接口206分离。A/D转换器204将放大的模拟音频信号转换为数字音频信号。PCM接口206随后对数字音频信号进行PCM编码。PCM接口206还将PCM编码数字音频信号数据放入PCMO线上的PCM编码发送帧序列内并将数据传送至声码器208以进一步完成数字信号处理和能量电平测量。
参见图3，它示出了图1的CODEC106示意性实施例的更为详细的框图。在发射侧，来自MIC102的模拟音频信号由可变音频放大器302放大。它也可以由可选的固定音频放大器304放大。模拟调制器306将放大的模拟音频信号调制为数字音频信号，随后由TX滤波器和放大器308滤波以去除调制时产生的副产品寄生信号分量，PCM接口310随后对数字音频信号进行PCM编码。PCM接口310还将PCM编码数字音频信号数据放入PCMO线上PCM编码发送帧序列内，数据被送至声码器208以完成进一步的数字信号处理和能量电平测量。
在接收侧，PCM接口310经PCMI线接收PCM接收帧。PCM接口310去多路复用来自PCM接收帧的数字增益控制比特并利用数字增益控制比特以经控制线320控制可变音频放大器302的增益并经控制线320控制TX滤波器308。在较佳实施例中，CODEC106的发射增益控制根据下列表I完成(所有增益值的单位为dB)：
表I
      比特名称 可变放大器(302) 固定放大器(304) TX滤波放大器(308)   AMOD(306)   总的TX增益
  TP2   TP1   TP0     增益   增益   增益   增益   增益
   0    0    0     5.38     18     0     0.62     24
   0    0    1     5.38     18     -2     0.62     22
   0    1    0     5.38     18     -4     0.62     20
   0    1    1     5.38     18     -6     0.62     18
   1    0    0     -2.62     18     0     0.62     16
   1    0    1     -2.62     18     -2     0.62     14
   1    1    0     -2.62     18     -4     0.62     12
   1    1    1     -2.62     18     -6     0.62     10
由表I可见，在较佳实施例中，通过调整可变音频放大器302和TX滤波器和放大器308的增益，CODEC106的总发射增益可以2dB为单位从10dB(对于高声说话者或环境)调整至24dB(对于低声说话者或环境)。显然，也可以采用其他的范围和dB单位而不偏离本发明的范围。
PCM接收帧内的PCM编码数字音频信号比特被PCM接口310分离和译码并送至RX音量控制312，在那里它们的增益得当调整，并且由RX滤波器和放大器314滤波和放大。译码数字音频信号随后被数字调制器320以数字方式解调并转换为模拟音频信号，该信号被扬声器放大器(SPKR AMP)318放大以供扬声器104(图1)使用。
图4示出了可变音频放大器302和固定音频放大器304的示意性电路图。应该指出的是，图4仅仅是示意性质的，并且本领域内技术人员将很容易地设计出略微有差别的放大器组而不偏离本发明的范围。值得指出的是，虽然图4示出的可变音频放大器302和固定音频放大器304为差分放大器，但是也可以将图4的电路重新设计为单端电路而不偏离本发明的范围。也可以改变无源网络402以改变固定音频放大器304的增益。在较佳实施例中，无源网络402在CODEC106的外部从而可以对不同的应用在外部设定固定音频放大器304的增益。在上述表I的实例中，固定音频放大器304的增益被无源网络402设定为18dB。图4无源单元的示意值列于如下：
表II
   单元     典型值
    R1     10K欧姆
    R2     500K欧姆
    R3     180K欧姆
    C1     0.1μf
    C2     0.1μf
    C3     12.3μf
    Ci     0.022μf
上述较佳实施例的描述使得本领域内技术人员可以利用本发明。对于他们而言，在不偏离本发明精神和范围的前提下对本发明作出各种修改和改动是显而易见的，因此本发明的原理和范围由下面所附权利要求限定。

Claims (4)

1.一种控制音频频带处理器增益的电路，其特征在于包括：
所述音频频带处理器内的第一可变增益放大器，用于接收模拟音频信号；
所述音频频带处理器内的模拟—数字转换器，用于将所述模拟音频信号转换为数字音频信号；
接口电路，用于编码所述数字音频信号并且将所述数字音频信号放入编码发送帧序列内；以及
声码器，用于测量所述编码发送帧序列的能量水平并且生成数字增益控制比特以响应所述测量的能量水平，并用于生成编码接收帧序列，每一接收帧包含预定数量的编码数字音频信号数据比特和预定数量的填充比特，并且用于将所述数字增益控制比特代替所述填充比特；
其中所述接口电路调整所述第一可变增益放大器的增益水平以响应所述数字增益控制比特。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，进一步包括第二可变增益放大器，用来接收所述第一可变增益放大器的输出，以及放大所述第一可变增益放大器的输出，并且所述接口电路响应于所述数字增益控制比特，调整所述第二可变增益放大器的增益水平。
3.一种控制包含第一可变增益放大器的音频频带处理器增益的方法，其特征在于包括以下步骤：
接收模拟音频信号；
将所述模拟音频信号转换为数字音频信号；
编码所述数字音频信号；
将所述数字音频信号放入编码发送帧序列内；
测量所述编码发送帧序列的能量电平；
生成数字增益控制比特以响应所述测量的能量电平；
生成编码接收帧序列，每帧接收帧包含预定数量的编码数字音频信号数据比特和预定数量的填充比特；
将所述数字增益控制比特代替所述填充比特；以及
调整所述第一可变增益放大器的增益水平以响应所述数字增益控制比特。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于进一步包括调整第二可变增益放大器的增益水平以响应所述数字增益控制比特的步骤。
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